Mjölkkärrsbaggens orangefärgade vingar och DNA: Hur insekters diet avslöjas av genomet

Ett internationellt samarbete av forskare, bland annat från School of Life Sciences vid University of Warwick, har sekvenserat arvsmassan hos mjölkörtbaggen, vilket gör det möjligt för forskarna att på molekylär nivå förstå vad som gör att insekten, från sin färgglada utveckling till sin giftiga diet, är en art som är mycket varierande.

Hemiptera är en mångsidig insektsordning, med ett liknande antal arter som flugor, getingar och fjärilar. Hit hör bl.a. saftsugande bladlöss, blodsugande sängbaggar och fröätande insekter som mjölkgräsbaggen (Oncopeltus fasciatus). Hittills är det dock mycket få Hemiptera som har sekvenserade genomer, en viktig DNA-resurs för att förstå de gener och proteiner som ligger bakom en arts biologi.

Ett stort uppsving för den biologiska mångfalden av insekter och för Hemiptera har kommit från i5K-projektet. Detta stora, internationella konsortium strävar efter att sekvensera 5 000 genomer av insekter och deras släktingar. Inom ramen för detta projekt sekvenserades och analyserades genomet för mjölkörtbaggen av 83 forskare som arbetade i 27 grupper i 10 länder. De rapporterar sina storskaliga jämförande resultat om Hemiptera i en ny artikel som publiceras i tidskriften Genome Biology.

”Mjölkbladsbaggar är en fantastisk art att studera”, förklarar huvudforskaren och artkoordinatorn Kristen Panfilio från University of Warwick, Storbritannien, och University of Cologne, Tyskland. ”De har fungerat som en forskningsmodell för ekologi, metabolism, utveckling och genetik sedan mitten av 1900-talet, delvis på grund av att de är mycket lätta att hålla. Faktum är att den stam som vi sekvenserade för genomprojektet också används i skolans klassrum, eftersom insekterna har en vacker röd-orange och svart färg under hela sin livscykel.”

Nu kan forskarna med hjälp av genomdata direkt koppla samman gener med kost och, i slutändan, insekternas vinge- och kroppsfärg.

Ett viktigt resultat var att skapa en databas över alla enzymer som är involverade i ämnesomsättningen hos mjölkörtbaggen, vilket underlättar jämförelser mellan olika arter.

Miljkörtbaggens slående röd-orange färg är i själva verket ett varningstecken för potentiella rovdjur: Mjölkört är en giftig födokälla, och ljusa varningsfärger tillkännager att insekterna skulle smaka illa. Detta är samma färgning som man ser hos monarkfjärilar, som delar denna födokälla. Jämförelser av ämnesomsättningen visar nu dock att insekterna och fjärilarna har olika enzymer för att hantera essentiella aminosyror (proteinernas byggstenar), trots att de delar diet.

En del av dessa aminosyror behövs för att insekten ska kunna tillverka sina vingar. Vingarna är resultatet av en utveckling för exakt struktur såväl som färg.

Den nya informationen om genomet gjorde det möjligt för forskarna att experimentellt testa subtila varianter (isoformer) av en viktig regulatorisk gen för vingutveckling, med hjälp av en teknik som kallas RNA-interferens (RNAi).

”Efter att ha arbetat med vingutveckling i över femton år är det spännande att vi nu har tillgång till genomet för att fullt ut analysera några av dessa mycket komplexa gener”, förklarar medförfattaren Deniz Erezyilmaz, som genomförde RNAi-experimenten för artikeln vid Stony Brook University, USA, och som nu är baserad vid University of Oxford, Storbritannien.

Den nya studien visar också att arter med mycket specialiserad flytande föda, som bladlöss och sängbaggar, tenderar att förlora inte bara vissa metaboliska enzymer, utan även bredden på sina lukt- och smakreceptorer.

Miljöbaggen, som företrädesvis söker sig till och livnär sig på mjölkörtsplantor i ett brett geografiskt område, har däremot en mycket mer omfattande repertoar av sensoriska proteiner kvar. Samtidigt har mjölkgräsbaggar och några av deras nära släktingar nyligen förvärvat gener från bakterier och integrerat generna direkt i insektsgenomet.

En del av de nya generna tillhandahåller enzymer som hjälper dessa växtätare att smälta växtvävnadernas sega cellulosa, bland annat hos stinkbaggen, som är en invasiv skadedjursart. Kunskap om vilka gener som stöder en invasiv arts diet kan hjälpa forskare att utveckla strategier för integrerad skadedjursbekämpning.

Finally, the study highlights molecular features in bug genomes. Fruktflugor och getingar har mycket små, kompakta genomer, medan insektsgenomerna ofta är över fem gånger större. Så även om insekter och flugor tenderar att ha samma antal gener skiljer sig deras struktur åt, med insektsgener som ligger långt utspridda längs DNA:t. En egenskap som identifierades i den här studien är att insektsgener tenderar att bestå av många fler små enheter än fluggener, på grund av ett fenomen som kallas episodisk intronförstärkning och intronomsättning.

Medförfattaren Robert Waterhouse vid universitetet i Lausanne, Schweiz, förklarar: ”I takt med att projekt för sekvensering av arvsmassor fortsätter att ta sig fram till den större mångfalden av insekter och djur kommer kunskapen om genernas egenskaper i större arvsmassor att bli allt viktigare.”

i5K:s pilotsamordnare Stephen Richards kommenterar: ”Många insektsarter är skadedjur i jordbruket eller bär på sjukdomar, och genomsekvensering kan hjälpa forskarna att ta reda på hur man ska bekämpa detta. Det räcker dock inte med DNA-sekvensen i genomet. Jag gratulerar dr Panfilio och det internationella samfundet för mjölksvampinsekter till denna enastående prestation, som redan har påskyndat forskningen om insekter. Det är viktigt att jämföra mjölkörtskräftan med andra arter, t.ex. sängskräftan, för att förstå varje arts unika värde.”

Forskarna kommer att fortsätta att undersöka gener som är viktiga för födoämnesekologi och sammanlänkade biologiska egenskaper hos insekter. Detta inkluderar den molekylära grunden för det röda varningspigmentet samt insektsspecifika proteiner som är involverade i kemiskt skydd och utveckling.